基于PIC的家用太陽能逆變器研制

上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院 袁志剛 張自強(qiáng) 潘東昱 廖向如 潛麗旭

1 引言

我國經(jīng)濟(jì)正處在一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期，各種能源需求量在未來仍將快速增長。如今人類賴以生存的化石能源日漸減少，開發(fā)再生新能源就勢在必行。在各種新能源的使用中，最具有應(yīng)用前景的就是太陽能發(fā)電。因?yàn)樘柲茏鳛槿祟惾≈槐M用之不竭的可再生能源，具有儲量的無限性、存在的普遍性、開發(fā)利用的清潔性以及逐漸顯露出的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢，它的開發(fā)利用就成為解決常規(guī)能源尤其是化石能源帶來的能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等諸多問題的有效途徑，理所當(dāng)然成為人類理想的替代能源[2]。

太陽光輻射能經(jīng)太陽能電池轉(zhuǎn)換為電能，然后再經(jīng)過能量存儲、能量變換控制等環(huán)節(jié)，最終向負(fù)載提供合適的直流或交流電能[3]。與常規(guī)發(fā)電相比，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)有著不可比擬的優(yōu)勢。近年來，光伏發(fā)電技術(shù)也有了廣泛的應(yīng)用，隨著我國新能源法及各項(xiàng)政策的頒布，光伏發(fā)電系統(tǒng)將在我國擁有更廣闊的發(fā)展空間。光伏技術(shù)和電能變換技術(shù)的結(jié)合必將取得更大的發(fā)展，獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的建立將在西部無電或缺電地區(qū)會有廣泛的應(yīng)用前景[4]。

光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲存在蓄電池后，需要直流升壓電路將低壓直流轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的高壓直流，以供后級逆變電路轉(zhuǎn)換。在光伏系統(tǒng)中，由于用戶或用電器的原因，大量的用戶負(fù)載是交流負(fù)載，因此需要使用逆變設(shè)備，將太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電或者蓄電池釋放的直流電轉(zhuǎn)化為負(fù)載需要的交流電[5]。逆變環(huán)節(jié)就是將蓄電池的直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能供用戶使用，因此對逆變器的設(shè)計(jì)也是獨(dú)立光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6]。

在本課題中經(jīng)過光伏電池給蓄電池充電后，蓄電池輸出的是12V的低壓直流，如果要供給家用電器使用，則需要220V的交流，所以需要首先對12V的低壓直流升壓至400V左右，再逆變?yōu)?20V的交流電壓才能供給家用電器正常使用。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)基本原理，家用獨(dú)立光伏發(fā)電升壓逆變系統(tǒng)主要包括光伏方陣、儲能蓄電池、逆變器、MCU控制器和交流負(fù)載模塊。逆變器包括兩個(gè)部分直流升壓和逆變電路。其中光伏方陣是光伏發(fā)電系統(tǒng)最基本的單位[7]，實(shí)現(xiàn)光能轉(zhuǎn)化為電能；蓄電池組可以存儲光伏方陣發(fā)出的電能，隨時(shí)向負(fù)載供電；直流升壓電路采用推挽式結(jié)構(gòu)，再經(jīng)整流濾波將12V直流電壓升為400V左右的直流電壓；逆變電路則采用全橋式逆變電路，用于把400V左右的直流電壓轉(zhuǎn)換為220V的交流電壓，以供家用電器的使用；MCU控制器采用PIC16F716單片機(jī)作為主控芯片，編程產(chǎn)生SPWM波來控制逆變電路。

獨(dú)立光伏系統(tǒng)框圖如下圖1所示：

圖1 獨(dú)立光伏系統(tǒng)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 DC/DC部分的設(shè)計(jì)

升壓環(huán)節(jié)的主電路如圖2所示。升壓主電路是由推挽逆變電路、整流濾波電路、控制電路、隔離反饋電路以及保護(hù)電路等構(gòu)成。蓄電池輸入電壓為12V直流，對家用電器供電則要求220V穩(wěn)壓，因此必須加升壓變壓器。經(jīng)分析比較各升壓電路優(yōu)缺點(diǎn)后最終選擇了推挽式電路作為本設(shè)計(jì)中DC/DC主電路。升壓電路的核心芯片是SG3525，設(shè)置實(shí)現(xiàn)PWM的輸出，輸出正負(fù)交替的矩形波來控制兩個(gè)功率開關(guān)管的通斷，最終使12V低壓直流變?yōu)?00V高壓交流再經(jīng)整流濾波后變?yōu)?00V直流。

圖2 推挽變換器的電路原理圖

3.2 DC/AC部分的設(shè)計(jì)

逆變電路的功能是將直流升壓得到的高壓直流電轉(zhuǎn)換為220V、50Hz正弦交流電壓輸出。

常用的單相逆變電路有半橋和全橋兩種結(jié)構(gòu)，半橋電路結(jié)構(gòu)比較簡單，但輸出電壓低，所以適合中小容量場合；全橋電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但控制靈活，且輸出電壓是半橋電路的兩倍，所以就適合于較大容量場合[8]。相比而言本設(shè)計(jì)中逆變電路采用單相全橋電壓型。

全橋逆變電路的驅(qū)動(dòng)信號采用廣泛應(yīng)用的SPWM信號，SPWM控制具有損耗小、輸出穩(wěn)定等優(yōu)勢。

如圖3所示為逆變電路原理圖，主要包括功率橋電路、控制電路和保護(hù)電路等。首先PIC16F716處理器對輸入的直流電進(jìn)行SPWM調(diào)制，再經(jīng)過LC濾波電路輸出所需的正弦交流電壓。采用電壓瞬時(shí)值反饋，對輸出電壓進(jìn)行采樣隔離[9]，反饋信號經(jīng)過A/D變換送給PIC16F716保存，得到脈寬控制量，通過SPWM生成環(huán)節(jié)產(chǎn)生各功率管的驅(qū)動(dòng)信號，控制功率管的通斷，使輸出電壓盡可能跟蹤基準(zhǔn)正弦給定信號[10]。

4 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的 SPWM控制技術(shù)很好地把軟硬件技術(shù)結(jié)合在一起，在編程方法上則針對規(guī)則采樣法諧波大的缺點(diǎn)，采用面積等效法較好地抑制了諧波。

圖3 逆變環(huán)節(jié)主電路圖

PIC16F716單片機(jī)集成了增強(qiáng)型PWM模塊，產(chǎn)生的SPWM模塊具有10位的分辨率，并支持半橋、全橋模式，可編程死區(qū)時(shí)間。在編程中就利用該模塊產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的SPWM波形。然后再將這兩路SPWM波互補(bǔ)導(dǎo)通的原則變換成四路，經(jīng)隔離放大后驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管，從而實(shí)現(xiàn)對輸出的控制[11]。SPWM波產(chǎn)生的主程序圖如圖4所示，先設(shè)置配置位，然后設(shè)置Timer1的中斷時(shí)間和Timer2的SPWM模式，再設(shè)置電壓電流的保護(hù)位等。

圖4 主程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖把硬件分為DC/DC升壓板；保護(hù)電路板（包括過載和短路保護(hù)等）；SPWM產(chǎn)生板和功率主板四塊板子，焊接完成后，對前級DC/DC升壓部分和后級逆變部分進(jìn)行聯(lián)調(diào)，最后制作樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)波形如下圖所示：

圖5-1 同一橋臂Q11、Q12的驅(qū)動(dòng)信號

圖5-2 同一橋臂Q13、Q14的驅(qū)動(dòng)信號

如圖5-1，5-2為驅(qū)動(dòng)信號波形圖，圖5-1中1通道為Q11驅(qū)動(dòng)信號，2通道為Q12驅(qū)動(dòng)信號，在各自導(dǎo)通的半周期內(nèi)分別為SPWM；同理圖5-2中，1通道為Q13驅(qū)動(dòng)信號，2通道為Q14驅(qū)動(dòng)信號，兩者成互補(bǔ)的SPWM波。

圖6為阻性負(fù)載逆變器的輸出波形，系統(tǒng)的波形基本接近正弦波。從圖中可以看出，輸出的交流電壓幅度為225V，頻率為50HZ，基本符合實(shí)際要求。

圖6 阻性負(fù)載時(shí)輸出波形

6 結(jié)語

本文根據(jù)光伏逆變的基本原理，以PIC單片機(jī)為控制核心實(shí)現(xiàn)逆變器控制波形的產(chǎn)生，從逆變環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，最終產(chǎn)生的SPWM波是穩(wěn)定可靠的，而且?guī)лd后輸出正弦電壓波形失真度小，電壓波動(dòng)率僅在3%左右。研究結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的逆變系統(tǒng)是能產(chǎn)生較好的正弦波，同時(shí)該系統(tǒng)電路也具有短路保護(hù)、過載保護(hù)、過/欠壓保護(hù)等功能。

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